计算机辅助工艺规划

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计算机辅助工艺规划(CAPP-Computer Aided Process Planning)

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什么是计算机辅助工艺规划(CAPP)

  计算机辅助工艺规划也被译为计算机辅助工艺过程设计。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP)、计算机自动工艺过程设计(CAPP)等名称,CAPP一词强调了工艺过程自动设计。

  由于计算机集成制造系统(CIMS)的出现,计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计(CAD)相接,下与计算机辅助制造(CAM)相连,是连接设计与制造之间的桥梁,设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息,设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。

  计算机辅助工艺规划(CAPP)是通过向计算机输入被加工零件的原始数据,加工条件和加工要求,由计算机自动地进行编码,编程直至最后输出经过优化的工艺规程卡片的过程。在集成化CAD/CAPP/CAM系统中,由于设计时在公共数据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据,也记录了有关工艺需要的数据,以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅助工艺规划的设计结果也存回公共数据库中供CAM的数控编程。集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据,更有利于产品生产的整体考虑。从公共数据库中,设计工程师可以获得并考察他所设计产品的加工信息制造工程师可以从中清楚地知道产品的设计需求。全面地考察这些信息,可以使产品生产获得更大的效益。

计算机辅助工艺规划(CAPP)利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订,把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件,瞎一过程称为计算机辅助工艺规划。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。

CAPP系统

基本构成

  视CAPP系统的工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP系统基本的构成包括:

  (1) 控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行,是人机交互的窗口,实现人机之间的信息交流,控制零件信息的获取方式;

  (2) 零件信息输入模块。当零件信息不能从CAD系统直接获取时,用此模块实现零件信息的输入;

  (3) 工艺过程设计模块。工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策,产生工艺过程卡,供加工及生产管理部门使用;

  (4) 工序决策模块。工序决策模块的主要任务是生成工序卡,对工序间尺寸进行计算,生成工序图;

  (5) 工步决策模块。工步决策模块对工步内容进行设计,确定切削用量,提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件;

  (6) NC加工指令生成模块。NC加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件,调用NC指令代码系统,产生NC加工控制指令;

  (7) 输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档,输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件,利用编辑工具对现有工艺文件进行修改得到所需的工艺文件;

  (8) 加工过程动态仿真。加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟,检查工艺的正确性。

内容

  CAPP的内容主要有:毛坯的选择及毛坯图的生成;定位基准与夹紧方案的选择;加工

  方法的选择;加工顺序的安排;通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择;工艺参数的计算;专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方 案的提出;工艺文件的输出。

步骤

  CAPP的步骤共分为5步:

  (1)输入产品图纸信息;

  (2)拟定工艺路线和工序内容;

  (3)确定加工设备和工艺装备;

  (4)计算工艺参数;

  (5)输出工艺文件。

分类

  系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。

  检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的,将设计好的零件标准工艺进行编号,存储在计算机中,当制定零件的工艺过程时,可根据输入的零件信息进行搜索,查找合适的标准工艺。

  派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性,相似的零件有相似的工艺过程这一原理,通过检索相似典型零件的工艺过程,加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

  创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同,它是根据输入的零件信息,依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。

CAPP的基础技术

CAPP的基础技术包括:

  (1)成组技术(Group Technology)。

  成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族[3],如图3所示,按零件族制定工艺进行生产制造,这样就扩大了批量,减少了品种,便于采用高效率的生产方式 从而提高了劳动生产率,为多品种、小批量生产提高经济效益开辟了一条途径。

  零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为基础,在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性,称为二次相似性或派生相似性。因此,二次相似性是基本相似性的发展,具有重要的理论意义和实用价值。

  成组工艺的基本原理表明,零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。成组技术就是揭示和利用基本相似性和二次相似性,是工业企业得到统一的数据和信息,获得经济效益,并为建立集成信息系统打下基础。

  (2)零件信息的描述与获取;

  输入零件信息是进行计算机辅助工艺过程设计的第一步,零件信息描述是CAPP的关键,其技术难度大、工作量大,是影响整个工艺设计效率的重要因素。

  零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响所设计的工艺过程的质量可靠性和效率。因此,对零件的信息描述应满足以下要求:

  [1]信息描述要准确、完整。所谓完整是指要能够满足在进行计算机辅助工艺设计时的需要,而不是要描述全部信息;

  [2]信息描述要易于被计算机接受和处理,界面友好,使用方便,工效高;

  [3]信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握,便于被操作人员运用;

  [4]由于是计算机辅助工艺设计,信息描述系统(模块或软件)应考虑计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助检测等多方面的要求,以便能够信息共享

  (3)工艺设计决策机制;

  (4)工艺知识的获取及表示;

  (5)工序图及其它文档的自动生成;

  (6)NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真;

  (7)工艺数据库的建立。

CAPP在CAD/CAM集成系统中的作用

  20世纪80年代中后期,CAD、CAM的单元技术日趋成熟。随着机械制造业向CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)和IMS(Intelligent Manufacturing System)方向的发展,CAD/CAM的集成化要求是亟待解决的问题。CAD/CAM集成系统实际上是CAD/CAPP/CAM集成系统。CAPP从CAD系统中获得零件的几何拓扑信息、工艺信息,并从工程数据库中获得企业的生产条件、资源情况及企业工人技术水平等信息,进行工艺设计,形成工艺流程卡、工序卡、工步卡及NC加工控制指令,在CAD、CAM中起纽带作用。为达到此目的,在集成系统中必须解决下列几方面问题:

  (1)CAPP模块能直接从CAD模块中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等,以代替零件信息描述的输入;

  (2)CAD模块的几何建模系统,除提供几何形状及拓扑信息外,还必须提供零件的工艺信息、检测信息、组织信息及结构分析信息等;

  (3)须适应多种数控系统NC加工控制指令的生成。

CAPP的发展趋势

  随着CAD、CAPP、CAM单元技术日益成熟,同时又由于CIMS及IMS的提出和发展,促使CAPP向智能化、集成化和实用化方向发展。当前,研究开发CAPP系统的热点问题有:

  (1)产品信息模型的生成与获取;

  (2)CAPP体系结构研究及CAPP工具系统的开发;

  (3)并行工程模式下的CAPP系统;

  (4)基于分布型人工智能技术的分布型CAPP专机系统;

  (5)人工神经网络技术与专家系统在CAPP中的综合应用;

  (6)面向企业的实用化CAPP系统;

  (7)CAPP与自动生产调度系统的集成。

计算机辅助工艺规划案例分析

案例一:企业CAPP应用分析[1]

  国内企业CAPP应用尚属起步推广阶段,成功应用CAPP的企业还不多见,但随着CA甩图板工程的结束,随着CAPP软件产品的不断成熟,CAPP应用需求日益迫切,越来越多的企业开始关注CAPP,酝酿、策划实施CAPP,这表明CAPP应用正在蓬勃兴起。

  CAPP在现代制造业中,具有重要的理论意义和广泛迫切的实际需求。因为CAPP系统的应用,不仅可以提高工艺规程设计效率和设计质量,缩短技术准备周期,为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径,工艺人员可以更多地投入工艺试验和工艺攻关,而且可以保证工艺设计的一致性、规范化,有利于推进工艺的标准化。更重要的是工艺BOM数据是指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、资源平衡成本核算等的重要依据,CAPP系统的应用将为企业数据信息的集成打下坚实的基础。

  二、企业工艺特点及存在的问题

  1、企业工艺特点

  工艺设计是优化配置工艺资源,合理编排工艺过程的一门艺术,它是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺规程是进行零件加工的主要依据,工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序,以便能按设计要求生产出合格的成品零件。

  一般的工艺编制过程是:

  按设计白图、零件清单进行工艺会审(工艺评定、工艺试验),制定工艺方案  按设计蜡图、零件清单划分工艺路线  按设计蓝图、零件清单编制工艺规程,选择加工方法,排出加工工序过程,选择各工序的加工余量、参数、刀具、工艺装备,绘制必要的工序简图,编制工艺卡片,计算工时定额,材料定额,编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细表、热处理明细表等工艺文件。

  工艺设计处于产品设计和加工制造的接口处,必须分析和处理大量信息,既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息,又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本工时定额,甚至传统习惯等方面的信息。工艺因素错综复杂,工艺理论又不成熟,因此说工艺是一个典型的复杂问题。

  工艺设计受到诸如企业的生产环境、产品类型、制造资源、生产批量、工艺习惯、工艺方法、工艺师经验水平等因素的影响,甚至受到生产组织与管理方式的制约。上述因素中的任何变化,都将导致工艺设计方案的改变,因此说工艺在各个方面都充满着“个性”。

  工艺设计产生大量的工艺数据,这些工艺数据是指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、资源平衡、成本核算等的重要依据,因此说工艺设计是企业的一项关键性工作。

  随着市场竞争的不断加剧,产品升级换代的周期越来越短,产品品种急剧增加,但系列产品的工艺具有很大的继承性。不同产品中的相同或相似零部件具有相似的工艺,工艺卡片上的产品、组件、零件属性等信息源于设计图纸,工艺卡片之间信息联系密切,相同数据重复率很大。因此说工艺卡片中存在大量的重复信息。

  2、企业技术部门计算机应用现状

  近几年,在国家科委CAD“甩图板”工程的推动下,大部分企业成功甩掉图板,相当比例的企业应用了三维设计软件,CAD应用取得良好成效。但是在绝大多数企业中,工艺部门的计算机应用严重滞后于设计部门,许多企业还在使用手工进行工艺设计,一些企业使用CAD软件或办公软件来“画”工艺卡片,另外一些企业,虽然通过与高校、科研单位合作,开发了专用的CAPP软件,但在图形处理、数据共享、实用性等方面存在明显缺陷,应用效果并不理想。技术部门一般沿用传统的管理模式,数据信息不能共享,很少有单位能成功应用PDM。

  3、手工编制工艺存在的问题

  以手工方式进行的工艺设计存在如下问题:

  • 工艺数据重复填写、重复计算,存在大量的重复劳动,无法直接利用CAD信息,工艺设计 工作量大、效率低、周期长、易出错。
  • 工艺设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和工作经验,难以保证工艺数据的准确性,工艺质量无法保证。
  • 工艺方法因人而异,难以实现工艺设计的继承性、规范性、标准化和最优化,不能有效地降低生产成本
  • 无法实现工艺文件计算机统一管理和维护,工艺信息不能与其他部门共享。
  • 不能将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用,不能充分利用企业制造资源、工艺资源。
  • 对工艺设计人员要求高,要求工艺师具有丰富的生产经验,熟悉企业内部各种加工方法及相应设备使用情况,熟悉企业内部各种生产加工规范和规章制度
  • 工艺师培养成本高,缺乏有经验的工艺师。

  4、工艺工作面临的挑战

  日趋激烈、日益多变的市场竞争要求企业能不断推出新产品,企业对客户的要求必须作出快速的响应,与此同时,产品的技术要求越来越高,交货期也越来越短,所有这一切对企业的技术能力、工艺能力是个严峻的挑战,手工编制工艺将无法适应残酷的市场竞争,企业迫切需要建立工艺快速反应能力。计算机辅助技术能有效提高企业的技术能力,CAPP是提高工艺设计效率的有效手段。实施CAPP系统,推进企业技术部门信息化是企业当前发展的重要课题。

  三、实施CAPP系统,提高工艺设计水平

  1、企业对CAPP软件的要求

  新一代CAPP工具系统通过提供功能通用、强大的编辑工具、工艺资源管理工具、计算工具、汇总工具、配置工具、开发工具等给予工艺人员最大的帮助,辅助工艺人员提高工艺设计效率和设计质量。同时CAPP系统向企业推荐和引进国家标准的工艺设计和工艺管理规范,推进工艺规范化、标准化,提高工艺设计水平。

  企业需要应用面广、实用性强、集成型好的平台型CAPP工具系统,CAPP应是“一个以整个产品为应用对象,以产品工艺数据为中心的集工艺过程设计、工艺信息管理为一体的交互式计算机应用系统和开发平台,通过融合检索、修订、创成等技术,逐步实现工艺设计和管理的自动化、信息化

  对CAPP软件的具体要求如下:安装简单、人机界面友好、实用性强、开放性好、稳定安全柔性的网络版CAPP系统。

  CAPP系统应兼备工艺设计和工艺管理功能:

  • CAPP系统必须能实现与CAD、PDM、MISERP等系统的集成

  

  • CAPP系统应提供功能强大的工艺卡片设计工具,融数据库、图形、图象、表格、文字编辑于一体,图文并茂,提供可视化的工艺设计环境,100%所见即所得。能编制工艺路线、工艺过程卡、工序卡、工艺BOM等工艺文件。数据信息一次输入、全程共享、互相关联,杜绝数据重复输入操作。具有自动换行、自动续页、自动增删页、自动编号、自动编排页次功能。直接绘制工艺简图,可借助零件图产生工艺简图,支持特殊工程符号的定义与编辑。CAD图纸上有关信息自动填入工艺卡片,自动关联工艺资源数据库快速获取数据。具有工艺卡片集中打印管理功能。
  • CAPP系统应提供树形结构的工艺资源管理功能,工艺资源包括:设备、工装、工艺术语、工艺参数、工艺规则、工艺简图、材料牌号、材料规格、产品、零件、毛坯、车间、工段、典型工艺、计算公式等任何可供共享和重复使用的工艺数据、工艺知识。支持资源库结构自由定义和数据自由扩充,实现与工艺卡片的自定义关联、自动引用。规范工艺内容,提高标准化程度。
  • 应具有公式计算和公式管理器功能,提供材料定额计算和工时定额计算公式库,用户可自行扩充专用公式。系统按公式定义自动计算,计算结果自动填入工艺文件。
  • CAPP系统必须提供简单灵活的配置定制工具,以适应企业所有专业的工艺设计要求,并具有统一的应用环境和数据结构
  • 提供工艺卡片模板定制工具,可由用户绘制、定义、扩充工艺卡片格式。支持工艺文件在不丢失任何信息的基础上由一种卡片格式转换到另一种卡片格式,保护历史工艺数据资源。
  • 能读取CAD系统产生的产品结构信息,能够由工艺卡片自动生成工艺BOM。
  • 必须提供完善的二次开发工具和开发接口,用户可以自行开发专用CAPP模块,如定型工艺自动生成。
  • 应能检索典型工艺、标准工艺,并能迅速派生工艺。

  2、实施CAPP系统达到的目标

  应用CAPP系统进行工艺设计,能够:

  • 提高工艺设计工作效率,加快市场响应速度,缩短技术准备周期。
  • 提高工艺设计质量,减少产品退修费用。
  • 帮助工艺工程师从繁琐、重复的低层次劳动中解放出来,有更多的精力投入工艺试验、工艺攻关,优化工艺设计,促进技术进步。
  • 继承和共享工艺专家的经验和知识,一般的工艺人员就能设计出较好的工艺过程,可以解决缺乏经验丰富的工艺师的问题,同时能加快工艺师的培养。
  • 推进工艺标准化建设,提高工艺设计水平。

  3、CAPP实施的关键

  企业应用CAPP软件是一个系统工程,必须总体规划,分步实施。由于工艺处于设计和生产的接口处,CAPP的实施既要实现与现有CAD系统的集成,又要考虑将来与企业ERP等管理软件的全面集成,因此CAPP 系统的实施关系重大,关系到企业信息系统的集成和企业信息化建设的成败。同时由于工艺的个性化、复杂性及CAPP发展的局限性,给CAPP软件的实施带来了不小的困难。

  CAPP系统的实施一般包括需求分析、总体规划、软件实施与培训、定制开发等过程。系统实施之前必须进行详细的需求分析、工艺知识的收集和整理,并根据企业自身特点选择合适的CAPP软件产品,制定CAPP系统实施方案。

  由于工艺的个性化特征,即每家单位的工艺都有自己的特点,因此CAPP系统实施中的开发工作量极大,商品化的CAPP软件必须经过二次开发才能适合企业的实际应用。所以,CAPP系统的实施前期必须提出明确、全面的开发需求,制定详尽的技术协议,这是系统实施与验收的依据。技术协议应对软件的系统结构、总体要求、功能需求、集成需求提出了具体的技术要求,为CAPP系统的实施制定框架协议与验收标准。这是CAPP系统实施成功的关键所在。CAPP二次开发主要包括:CAPP编辑平台的用户化开发、BOM自动生成模块、专业工艺自动化生成模块等。在系统实施中,企业技术人员必须全面参与开发工作,掌握系统定制与开发技术,能够在今后的应用中不断扩充和完善CAPP系统。

  四、CAPP的集成应用

  CAPP的集成应用是关系到CAPP应用水平的关键因素,面向产品信息的CAPP集成目标首先是实现工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化,工艺数据必须做到一次输入、互相关联、全程共享,并具有统一的数据结构,CAPP软件必须实现这一层次的集成应用。

  CAPP集成应用的第二层次是CAPP与CAD的集成。CAPP必须能读取CAD产生的产品结构信息与图形信息,避免重复输入。这需要一个前提,就是 CAD系统应能自动生成设计BOM信息(设计BOM由CAD图纸自动生成),为CAPP系统提供完整、一致、正确的BOM信息和图纸数据。要实现这一点,除了需要BOM软件工具的支持以外,还必须对电子文档进行有效的管理,能保证计算机上存储的电子文档的完整性、一致性和正确性。目前大部分企业在完成 CAD甩图板工程以后,只是利用目录结构对电子文档进行简单的管理,没有权限控制、没有版本控制、没有层次结构、没有入库提交机制,无法保证计算机中电子文档的完整性、一致性和正确性,在这种情况下,即使有BOM生成工具,也无法向CAPP系统提供完整、一致、正确的的设计BOM信息和图纸数据。

  CAPP集成应用的第三层次是逐步实现与MRPII/ERP等管理信息系统的集成,为这些系统提供产品结构树、产品零部件工艺路线表、工时定额表、材料定额表、工装汇总表、工艺明细表等工艺信息。

  CAPP第二层次和第三层次的集成应用以PDM系统为集成平台。由PDM负责电子文档的管理,保证电子文档的完整性、一致性和正确性,在PDM的管理下,BOM工具自动生成设计BOM,并由PDM为CAPP系统提供完整、一致、正确的设计BOM信息和图纸信息。CAPP系统产生的工艺数据也交给PDM 系统管理,并由PDM系统提供给MRPII/ERP等管理信息系统。

  为了提高CAPP应用水平,也为了提高CAD系统、CAPP系统的应用效益,我们认为,在普及CAD应用的基础上,实施CAPP的同时应实施PDM系统或图文档管理系统(如不具备实施PDM的条件,可以先实施PDM中的一个模块:图文档管理),以实现CAD/CAPP的集成,稳步推进企业技术部门的信息化建设,并为企业信息化打下坚实的基础。

  CAPP是CIMS工程中的一个重要模块,也是企业信息化建设的关键环节。前几年,由于CAPP软件的发展走了一些弯路,导致CAPP应用成为计算机辅助技术领域的薄弱环节和企业实施推广CIMS工程的瓶颈所在。许多企业在尚未深化CAD、CAPP应用的情况下实施ERP系统,导致ERP系统所需的 BOM信息、工艺路线、工时定额等数据只能重复手工输入,严重影响了ERP系统的应用效果,甚至导致ERP系统实施的失败。近几年CAPP软件的发展取得了长足的进步,为全面推广CAPP应用奠定了基础,国家机械工业局也于今年开始推广CAPP技术,可以说实施CAPP系统的有利时机已经来临,相信在未来几年,CAPP应用必将取得丰硕的成果。

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